足尺矩形钢管混凝土柱-h型钢梁节点抗震性能试验研究

足尺矩形钢管混凝土柱-h型钢梁节点抗震性能试验研究

管道混凝土结构具有钢结构和混凝土结构的优点。一方面钢管为混凝土提供了连续的侧向约束从而显著提高了混凝土的强度、刚度和延性;另一方面由于混凝土的存在大大降低了管壁局部失稳的可能性。这些优点使得钢管混凝土结构广泛应用于高层结构中。20世纪90年代以前,普遍认为钢管混凝土结构具有优良的抗震性能。但1994年美国的Northridge地震和1995年日本的Kobe地震使人们清醒地认识到钢节点存在的严重问题。震后发现,结构破坏主要集中于翼缘的全熔透焊缝附近及热影响区。此后,为了改善节点的抗震性能,国内外学者开展了一些试验研究。Schneider和Alostaz针对具有不同加强构造措施的圆形钢管混凝土边节点开展了试验研究,发现梁贯穿于柱的连接方式具有最好的强度和延性。Shin等研究了采用T形加强板的钢管混凝土梁柱节点,结果表明采用T形加强板的节点强度可提高30%。宗周红等对穿芯螺栓-加劲端板连接节点开展了拟静力试验,发现其性能优于常规的栓焊连接,Li等的研究结果也证明了该种连接的优越性。聂建国等的研究表明,内隔板式节点能够有效地传递梁端弯矩及剪力。余海群等的研究发现,梁翼缘局部削弱和梁翼缘加盖板节点的极限塑性转动能力较高。陈以一等的研究表明,H形钢梁与钢管柱隔板贯通式连接节点与内隔板式节点具有相近的滞回性能。方钢管混凝土柱-钢梁节点的试验结果表明,倒角放坡型隔板贯通节点具有较好的承载力和刚度;在梁端翼缘两侧增加侧板可以缓解隔板角隅处的应力集中。王先铁等研究了方钢管混凝土穿芯高强螺栓-端板节点的滞回性能,发现减小高强螺栓预拉力将显著降低节点的耗能。鉴于影响钢节点抗震性能的影响因素众多,且目前足尺试件的试验较少,为了确保结构安全及优化设计,配合天津开发区泰达广场设计的需要,开展了3个梁端构造不同的足尺节点低周反复荷载试验,为工程设计提供技术支持。1试验设计1.1钢管柱间焊缝的安装3个试件均按照CECS159∶2004《矩形钢管混凝土结构技术规程》的要求进行设计。梁柱所用钢材均为Q345-B,柱截面均为700mm×500mm×30mm×35mm,梁截面均为700mm×300mm×13mm×24mm,矩形钢管柱内布置栓钉,钢管内灌筑的混凝土设计强度等级为C40,隔板厚度均为24mm。JD-1为隔板贯通式节点,隔板与梁翼缘采用坡口对接焊缝连接,腹板与焊于柱上的连接板采用16Mn高强螺栓连接。JD-3为隔板贯通式节点,隔板外伸呈梯形,隔板与梁翼缘采用坡口对接焊缝连接,梁腹板与焊接于柱面的连接板采用角焊缝焊接。JD-5为内隔板式节点,柱与梁翼缘采用坡口对接焊缝连接,腹板与焊于柱上的连接板采用高强螺栓连接,同时在梁端上下翼缘两侧加设楔形板,楔形板尺寸为24mm×100mm×250mm,沿长度方向预先与梁端进行剖口焊。梁柱间焊缝经超声波探伤,质量均符合一级焊缝标准。节点试件主要几何尺寸见图1,详细节点构造见图2。试件采用的钢材实测力学性能见表1。1.2水平低周往复荷载为了比较真实地模拟水平荷载作用下框架边节点的受力状况,3个试件均采用柱端加载的方式,如图3所示,柱底与梁端均为铰接,在上柱端通过液压伺服作动器施加水平低周往复荷载。为防止节点试件发生扭转失稳而导致提前破坏,在柱和梁两侧分别设置水平支撑,并在水平侧向支撑与试件之间设置四氟乙烯板以减小侧向支撑与试件之间的摩擦力。1.3柱层间位移控制按照AISC341-05《美国钢结构建筑物抗震规定》所建议的加载制度进行加载控制,如图4所示。整个加载过程均以位移控制。位移分级加载控制中选取柱层间位移转角为控制位移值。层间位移角为0.00375,0.005,0.0075rad时,每级循环往复加载6次;在第4级层间位移角为0.01rad时循环往复加载4次;在层间位移角为0.015,0.02,0.03,0.04rad时循环往复加载2次;此后位移增量为0.01rad,且每级循环加载2次,直至试件破坏(如梁端翼缘出现破坏或焊缝发生破坏)停止加载。为了考虑核心区抗剪最不利的情况,本次试验没有施加竖向荷载。1.4梁、柱关键部位应变主要量测内容包括:1)水平荷载值;2)反复荷载下柱端位移;3)核心区应变;4)梁、柱关键截面处的应变。试验数据由数据采集仪自动连续采集。2破坏过程和破坏特征2.1梁端腹板残余应力在层间位移角为0.02rad的第2循环加载过程中,正向加载至52.71mm(558kN)时,梁端底部翼缘在焊缝处断开(图5a),发出巨响;反向加载至63.5mm时,梁端顶部焊缝开裂,并向隔板内延伸,导致隔板母材撕裂(图5b),此时残余承载力为500kN左右,反向拉至0.04rad时,梁端底部翼缘明显屈服(图5c),腹板也有明显平面外变形(图5d),梁端腹板与抗剪板连接处,滑移显著,上翼缘最大裂缝宽度约为30mm。柱及节点核心区无任何屈服或破坏迹象。2.2层间位移角的影响在层间位移角为0.01rad的第3循环加载过程中,梁端上翼缘底部的漆开始起皮并有少量剥落;在层间位移角为0.015rad的第1循环加载过程中,梁端腹板下部靠近竖向焊缝部位的漆开始有少量剥落;在层间位移角为0.02rad的第1循环加载过程中,梁端上、下翼缘开始出现轻微屈曲的现象;在层间位移角为0.03rad的第1循环加载过程中,梁端腹板下部平面外屈曲明显,上、下翼缘屈曲明显(图6a),并在上翼缘焊缝南侧边缘处出现裂缝,如图6b所示。在层间位移角为0.03rad的第2循环加载过程中,梁端下翼缘热影响区断裂(图6c);在层间位移角为0.04rad的第1循环加载过程中,梁端上翼缘焊缝处断裂,如图6d所示。柱及节点核心区无任何屈服或破坏迹象。2.3梁端腹板上油在层间位移角为0.015rad的第1循环加载过程中,下翼缘南侧加强板端部发现细小裂纹,如图7a所示。在层间位移角为0.02rad的第1循环加载过程中,梁端腹板上部油漆开始起皮(图7b)。在层间位移角为0.04rad的第1循环拉至该级最大位移时,上翼缘北侧加强板端部出现裂缝(图7c),在反向加载过程中,下翼缘全部断裂并向上延伸至腹板内,如图7d所示。柱及节点核心区无任何屈服或破坏迹象。3试验结果与分析3.1节点的反复荷载强度3个节点试件的滞回曲线如图8所示。由图8可见,各节点试件的滞回曲线破坏前呈较为明显的梭形,表现出良好的耗能性能;在同一位移级别下,后两个循环的荷载值较第1循环的荷载值无显著差异,说明钢管混凝土节点在低周反复荷载下的强度退回特征不明显;各节点试件的滞回曲线在层间位移大于42mm(对应层间位移角为0.01rad)时,均很饱满,且随着层间位移角的增加,滞回环的饱满程度也不断增加;当层间位移角大于0.01rad时,节点刚度降低较为明显。3.2节点jd-3破坏前后的承载力骨架曲线能较明确地反映结构的强度、刚度和变形等性能。图9为各试件的荷载-柱端位移骨架曲线。对比这些骨架曲线可看出,在柱端侧向位移不大于42mm(对应层间位移角为0.01rad)时,各试件的骨架曲线基本呈线性,此后,随着柱端侧向位移的增加,节点刚度开始有明显降低,在骨架曲线上出现拐点;除试件JD-3外,其他试件在破坏前承载力无任何下降迹象。试件JD-3在层间位移角为0.02rad时,承载能力达到峰值,在试件破坏时承载力略有降低。在柱端侧向位移为84mm(对应层间位移角为0.02rad)时,节点JD-1的承载力略低于其他2个节点的承载力;节点JD-5正向达到了168mm(层间位移角为0.04rad),而其他2个节点均未达到。3个节点均能满足GB50011—2001《建筑抗震设计规范》中对多高层钢结构弹塑性层间位移角限值1/50的要求,在允许的层间位移角范围内都能保证无强度退化或脆性破坏现象发生;但是,3个节点均未达到AISC的相应要求。这可能是由于进行梁翼缘与隔板焊接时我国的焊接工艺与美国的不同而引起的。相比而言,节点JD-5的变形和承载能力要优于其他两种节点形式。3.3节点破坏时的荷载、位移特性在结构抗震中,延性是一个重要的特性。考察节点延性常用极限位移Δu与屈服位移Δy之比,即位移延性系数来表示:μ=Δu/Δy。本文根据各试件的骨架曲线判定屈服荷载和屈服位移,将曲线上明显拐点对应的荷载和位移分别定义为屈服荷载和屈服位移。由于各节点破坏时承载能力均未下降到其峰值的85%,故以其最终破坏时对应的荷载和位移作为极限荷载和极限位移。各试件的荷载、位移特征值及位移延性见表2。从表中数据可以看出,对于3个梁端构造不同的节点,尽管屈服时的荷载略有不同,但是其屈服位移均为42mm(层间位移角为0.01rad),说明节点的屈服位移对梁端构造不敏感;除节点JD-1在位移延性系数为2时破坏,其他节点破坏时的位移延性系数不小于3;相比而言,节点JD-5的位移延性略好于其他两个节点。3.4集4加载时第1次循环的峰值点荷载刚度退化是指在位移幅值不变的条件下,结构或构件的刚度随反复荷载的次数增加而降低的特性。本文采用割线刚度Kj来表示刚度退化。割线刚度定义如下:式中:Fj为第j级加载时第1次循环的峰值点荷载值;Xj为第j级加载时的位移值。各节点刚度退化见图10。从图10可以看出:各节点的割线刚度在侧移不大于42mm(对应层间位移角为0.01rad)时,基本不降低(节点JD-3和节点JD-5)或降低幅度较小(节点JD-1),说明这一加载阶段各试件基本处于弹性状态;此后,各节点的割线开始有明显降低,说明试件进入了屈服状态;3个节点刚度退化特点基本一致,前期刚度退化不明显,刚度退化主要发生在柱端侧移不小于42mm的加载阶段。3.5位移下的能耗基于试件在低周反复荷载下的滞回曲线,可以对试件在弹性及弹塑性变形阶段吸收能量和耗散能量的情况进行研究分析。3个试件在各级位移下的耗能见图11。可看出:柱端侧移至42mm以前,试件基本处于弹性工作阶段,节点的耗能极小;此外,进入弹塑性阶段,随着柱端侧移的增加试件的耗能急剧增大;在试件JD-1破坏前,其耗能能力与其他试件无明显差异;节点JD-3与节点JD-5,尽管梁柱连接构造不同,但是耗能差异较小,说明在实现强要求。柱弱梁、强节点弱构件的破坏模式下,梁端构造不同对节点耗能影响不大。4裂时节点对破坏模式的一般规律1)试件的破坏模式均为先在梁端形成塑性铰,然后在塑性发展到一定程度后梁端破坏,主要表现为焊缝处断裂、隔板撕裂、梁翼缘热影响区断裂或梁翼缘加强板端部断裂;当破坏模式表现为焊缝断裂时,试件的延性较差,在实际工程中应采取必要措施避免此种破